協同設計在制造企業的運用

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摘要：隨著數字化技術的發展，傳統的分散式串行研發模式已不能滿足目前新形勢下企業快速發展的要求。分析了企業產品研發階段的現狀與需求，研究了協同設計的概念及其發展的合理性，最后對企業協同設計提出了目標和建議。

關鍵詞：產品研制；制造企業；協同；MBD

在某些制造企業，尤其是科研院所，長期以來一直采用產研分離的產品科研生產體制，主要體現在設計所負責產品的設計需求、設計開發和試制、設計定型、工藝設計等工作，而生產廠則根據設計提供的圖紙、工藝路線及相關工藝文件進行產品的批量生產。設計提供的通常都是二維圖紙和紙質技術資料，工藝文件編制和生產過程中的二維圖形和三維數據模型都要重新繪制，使得工藝準備周期較長，這樣的串行工作模式也使得設計更改頻繁，設計效率低下，設計、工藝和制造部門間的溝通成本大，研發制造成本高。目前結合數字化制造技術的發展方向，傳統的以數字量為主、模擬量為輔的協調工作法開始被全數字量傳遞的協調工作法代替，實現設計、工藝、制造的一體化協同管理模式，使產品研發的信息充分共享，縮短產品研制周期，降低生產成本，提升企業的競爭力。

1需求背景

傳統的產品研制通常是采用按順序作業的工程方法，企業的設計、工藝、檢驗、制造都是相互獨立的活動，前一個階段的工作完成后，后一階段的工作才能開始，組織和管理也都是圍繞這個思路展開，在設計階段，設計人員無法考慮制造工藝方面的問題，造成設計與工藝制造環節的脫節，設計方面的錯誤往往要在設計后期甚至是在制造階段才發現，只能返工重新設計生產，造成人力、物力、財務的浪費，同時產品質量也無法保證。由此可見，企業產品設計環節至關重要，好的產品設計，不僅體現在優越的功能和性能，更要便于制造，降低成本。傳統的研發設計過程面臨如下諸多問題。1）設計流程管理問題。設計、工藝、制造的串行流程使產品研發周期長、進度難以掌控，成本增加，由于缺乏產品數據管理應用，因此資源共享性較差。2）三維數模應用問題。由于企業車間采用二維圖紙指導生產，而設計部門的三維設計應用越來越廣泛，設計部門需要將三維數據模型轉換為二維圖形，由于產品的復雜性，很多零部件需要多張2D圖紙才能表示完整的信息，工藝員和操作工需要花很多時間來理解圖紙，設計版本控制和更改的及時性得不到保證，這為后續的應用帶來不便。3）設計工具分散獨立。不同設計問題的設計過程中用到的軟件工具是分散獨立的，系統設計軟件之間存在不兼容問題，在一定程度上影響了三維數據模型在生產制造過程中的應用。產生上述問題的原因錯綜復雜，但根本原因之一是在設計時缺乏從整個產品生命周期考慮各環節的活動，考慮生產、交付周期、成本等要求，同時缺乏知識的積累與重用。因此，要求在設計階段盡早考慮產品生命周期內所有的影響因素，工藝、檢驗、材料、質量、制造、維修等。隨著目前新形勢下企業的快速發展，現有的研發模式難以滿足產品研制過程中的跨部門、跨單位協作的需求，必須對企業現有研發模式進行優化和創新才能適應外部激烈的競爭環境。對標國外先進水平，歐美國家產品的研發以產品研發中心、協同工程環境和并行設計環境等為主要支撐，并行協同的研發模式是研發的主要發展趨勢。數字化協同研發技術是一種全新的研發模式，其核心是多專業的數字樣機，強調強耦合的快速設計和集成化的研發[1]。在國內，大型制造企業的數字化技術也發展迅速，基于三維模型定義（ModelBasedDefinition，簡稱MBD）的數字化設計與制造技術已經成為新的發展趨勢，三維數字化設計技術得到廣泛應用。基于MBD技術的產品定義標準和規范是實現全三維設計技術在設計工藝制造各個環節落地的基礎，也是協同設計的前提，其廣泛應用并行工程設計理念和方法，實現全生命周期數據管理，提高研發設計制造一體化，從而提高研制效率、縮短研制周期，減少研制成本。

2協同設計內涵

協同設計是以數字化設計制造為基礎，設計、工藝和制造協同工作的生產模式。由計算機提供強大的建模和仿真環境，使產品的零部件從設計到工藝到生產及裝配過程各環節的內容都在計算機上仿真實現，使產品研發的信息貫穿各個環節充分共享。協同設計研發模式是基于MBD的全三維數字化研發模式，用一個集成的三維實體模型來完整地表達產品定義信息，基于三維模型定義標準規范必須涵蓋設計的各類零部件，將設計信息（如三維尺寸標注）、產品結構信息、各種制造信息（如加工要求方法）共同定義到產品的三維數字化模型中，將模塊化設計理念應用到產品研發設計中，采用數字化手段，利用三維產品模型、工裝模型和三維工藝數據完全替代二維圖紙和紙質工藝指令，成為生產現場指導工人工作的技術依據。協同設計包含數據協同和流程協同[2]。1）數據協同。數據協同既包括設計向工藝傳遞設計BOM、設計圖紙及文檔，工藝轉換為工藝BOM后，輸出工藝BOM、工藝路線、工時定額、材料定額等，將這些信息快速傳遞給制造環節，在制造環節加以生產所需的屬性后快速地進行采購和生產。同時，業務環節的物料屬性例如成本、庫存等共享給設計，設計人員在任何設計環節都能查詢到材料和零部件的成本、庫存信息，以提供設計成本核算或報價時使用。在各業務環節，特別是制造執行環節能方便地查詢到設計文檔和設計信息，以提供生產作業指導，避免出錯。2）流程協同。流程協同包含銷售根據客戶對產品的需求和個性化描述，快速從市場營銷環節傳遞到研制設計環節，設計環節完成產品設計和工藝設計后迅速傳遞到生產制造環節及檢驗環節，生產部門根據確認的產品設計參數組織加工生產產品，在訂單交期范圍內將產品按質按量地交付給客戶，最后進行相關倉庫、賬款、成本核算等業務處理。其次，流程協同體現在設計變更時各環節的快速決策和執行，發生設計變更需求時，首先在要進行變更分析，此時就要與業務協同，分析變更的影響度，對客戶或對產品。其次設計變更帶來的設計BOM、工藝BOM、設計及工藝的變更不但要把變更的物料、PBOM、工藝信息傳遞給制造，還要把對庫存的處理、制造的處理、檢驗調試的處理、采購的處理、成本的處理通知到各業務環節，保證業務部門進行相應的業務處理。

3協同設計的目標

改變傳統的設計研發模式，以數字樣機為核心，實現單一數據源的協同設計并行工作模式，保證設計和制造流程中數據的唯一性。將全三維數字化產品研發技術MBD推廣到企業產品設計的各個階段，將數據管理和流程管理延伸到產品設計的各個環節實現產品快速設計，達到設計的標準化和規范化，在保證產品質量的基礎上，提高研制效率，縮短研制周期，降低企業成本，推動企業從傳統研制模式向數字化研制模式的轉變，同時實現產品設計知識和經驗的積累和重用，加強知識管理和利用的手段，促進產品的創新設計。

4結語

數字化協同研發模式以并行工程為核心思想，是對傳統研制工作及流程的優化和創新。利用協同研發平臺進行產品研發的技術狀態管理模式，可以滿足多型號多批次產品的全生命周期數據管理需求，形成網絡化、數字化、集成化的多級協同工作能力，縮短產品生產周期，降低企業成本，適應產品系列化快速研制的發展趨勢，加快對市場的響應速度，從而提高企業核心競爭力。在實際運用中，建議可以借鑒國內外相關成功經驗，盡快開展適應企業的協同設計建設，提升企業的核心競爭力，推動企業發展。

參考文獻

[1]萬家嗣.協同設計理論及其應用研究[D].武漢：武漢理工大學，2002.

[2]施迸發，李濟順，焦合軍.面向網絡化制造的中小企業協同設計系統研究[J].制造技術與機床，2008（12）：43-47.

作者:張敏 張順旺 單位:中國電子科技集團公司第三十二研究所